UNcompter pour plus de 15 pour cent de la biomasse terrestre, les microbes ont colonisé la planète d’un pôle à l’autre où ils influencent l’écologie grâce aux petites molécules qu’ils créent.1 Malgré leur omniprésence et leur importance dans l’environnement, les chercheurs ont du mal à identifier les métabolites microbiens sur le terrain et en laboratoire. Les bases de données publiques peuvent aider les scientifiques à déchiffrer certaines molécules microbiennes, mais elles se limitent souvent à des espèces bien étudiées.
Pour mettre en lumière la matière noire microbienne, les chercheurs ont développé l’outil de recherche par spectrométrie de masse microbienne (microbeMASST), qui détecte des centaines de métabolites microbiens en une seule fois en comparant des échantillons avec des enregistrements accessibles au public provenant de plus de 60 000 cultures microbiennes.2 Initialement développé pour étudier les microbes de la grande mer bleue, les chercheurs ont étendu microbeMASST au milieu microbien humain pour explorer l’influence du microbiome sur la maladie. L’équipe a rapporté ses conclusions dans Microbiologie naturelle.
« Cette nouvelle étude offre l’opportunité de replacer les molécules dans un contexte écologique », a déclaré Roger Linington, un chimiste analytique à l’Université Simon Fraser qui n’a pas participé à l’étude mais qui a collaboré avec certains auteurs dans le passé. « Traditionnellement, les gens étudiaient les micro-organismes un par un et isolaient les molécules individuelles. » Linington a noté que cela rendait difficile la détermination du nombre de microbes produisant le métabolite en question.
Les scientifiques obtiennent rarement une image complète du métabolome microbien. Par exemple, les chercheurs soupçonnent que les bactéries intestinales produisent la plupart des métabolites présents dans l’intestin. tube digestif puisqu’ils possèdent environ 100 fois plus de gènes que le génome humain.3 Néanmoins, lorsque les scientifiques collectent des échantillons de selles, ils ne peuvent généralement identifier que 10 % des métabolites. « Le pourcentage de molécules véritablement microbiennes sur ces 10 pour cent d’annotations est en réalité inférieur à 1 pour cent », a déclaré Simone Zuffabiologiste computationnel à l’Université de Californie à San Diego et co-auteur de l’étude.
Le déchiffrement du bavardage microbien est encore plus difficile dans certains écosystèmes. Anelize Bauermeister, microbiologiste marin à l’Université de Californie à San Diego et co-auteur de l’étude, explore les microbes présents dans la mer, y compris ceux qui colonisent les récifs coralliens. « Il est très difficile de trouver des métabolites dans les microbes marins car ils sont difficiles à collecter et il est difficile de les cultiver en laboratoire », a-t-elle déclaré.
Une fois qu’elle a appris à cultiver ces insectes vivant dans l’océan, elle a eu du mal à discerner si les microbes, les coraux ou d’autres sources sous-marines produisaient les métabolites. Désireux de surmonter ce problème, elle et ses collègues ont commencé à développer microbeMASST, un outil permettant de déchiffrer quels métabolites provenaient de microbes présents dans des échantillons prélevés dans différents environnements. Dans l’espoir de capturer une variété de bugs dans leur outil de recherche, l’équipe a compilé des données métabolomiques collectées auprès de microbes trouvés chez les animaux, les humains, les lacs, les océans, les plantes et les sols. Le monde était leur huître microbienne.
Les ancres levées, ils sont partis tester le microbeMASST dans un nouvel environnement et une nouvelle espèce : des souris de laboratoire. Chez une souris, les cellules hôtes et les microbes résidents produisent des métabolites, mais microbeMASST détecte ceux produits exclusivement par les insectes. Ils ont analysé un ensemble de données contenant des métabolites provenant d’un large éventail d’organes et de biofluides, notamment le cerveau, le cœur, le foie, le sang et les selles de souris normales et de souris sans germes. Puisque les souris sans germes manquent de microbes, Zuffa a émis l’hypothèse que tous les métabolites trouvés chez les souris normales mais absents chez les souris sans germes doivent provenir de microbes. Grâce à cette approche, ils ont identifié 1 673 métabolites produits exclusivement par des bactéries et des champignons vivant chez l’hôte.
« S’ils sont véritablement d’origine microbienne, ils devraient également être observés dans d’autres études », a déclaré Zuffa. Pour vérifier la robustesse de leurs résultats, ils ont comparé des souris normales avec des souris prenant des antibiotiques. Leur nouvelle analyse a reproduit 621 des mêmes métabolites, dont 512 étaient exclusifs aux souris sans antibiotiques. L’outil sert de point de départ pour trouver des métabolites microbiens, mais des analyses biochimiques supplémentaires des microbes cultivés en laboratoire sont nécessaires pour confirmer que ces molécules proviennent bien des insectes.
microbeMASST pourrait s’avérer utile pour les études sur le microbiome humain qui explorent les rôles que jouent les microbes et leurs métabolites dans la santé et la maladie. À l’aide d’ensembles de données humaines, Zuffa et ses collègues ont comparé des échantillons provenant de personnes en bonne santé et de personnes souffrant de différentes pathologies, notamment une maladie inflammatoire de l’intestin, qui est souvent liée à perturbations du microbiome.4 À partir de ces échantillons, ils ont observé 455 des 512 résultats microbiens identifiés dans les données sur la souris, ce qui suggère que l’outil de recherche peut également retracer des centaines de molécules microbiennes dans le corps humain.
À l’image de leurs analyses sur les souris, ils ont étudié un large éventail d’organes et de fluides corporels, mais les résultats ne suggéraient pas nécessairement que des microbes étaient présents dans tous ces endroits. Ils ont plutôt indiqué que les métabolites microbiens produits dans l’intestin peuvent se déplacer dans le corps et provoquer des effets systémiques.
Malgré ce bond en avant dans l’étude des métabolites microbiens, de nombreuses molécules restent pour l’instant de la matière noire. L’outil de recherche est limité aux données métabolomiques accessibles au public, ce qui crée un goulot d’étranglement dans la comparaison microbe-métabolite. Cependant, Linington espère que l’outil encouragera la communauté scientifique à rendre ses données en libre accès.
Une autre limite réside dans la manière dont les scientifiques collectent les données métabolomique. Les scientifiques utilisent généralement un spectromètre de masse pour ioniser les métabolites en fragments chargés avant de mesurer leur masse et leur charge afin de déchiffrer le code derrière leurs structures chimiques.5 « Toutes les molécules ne sont pas aussi faciles à détecter par spectrométrie de masse, et cela est dû au fait que différentes structures de composés auront une propension différente à s’ioniser dans l’instrument », a déclaré Linington, de sorte que certains métabolites restent hors de vue.
En partant des microbes, les chercheurs prévoient de générer d’autres outils de recherche qui faciliteraient la recherche de métabolites dans d’autres formes de vie. « Nous développons une version végétale pour cela appelée plantMASST où elle vous dira si des molécules spécifiques sont réellement dérivées de plantes spécifiques », a déclaré Zuffa.
Les références
1. Bar-On YM, et al. La répartition de la biomasse sur Terre. Proc Natl Acad Sci États-Unis. 2018;115(25):6506-6511.
2. Zuffa S, et al. microbeMASST : un outil de recherche par spectrométrie de masse taxonomiquement informé pour les données de métabolomique microbienne. Nat Microbiol. 2024;9(2):336-345.
3. Tierney BT, et al. Le paysage du contenu génétique de l’intestin et du microbiome humain oral. Microbe hôte cellulaire. 2019;26(2):283-295.
4. Franzosa EA, et al. Structure du microbiome intestinal et activité métabolique dans les maladies inflammatoires de l’intestin. Nat Microbiol. 2019;4(2):293-305.
5. Bauermeister A, et al. Métabolomique basée sur la spectrométrie de masse dans les enquêtes sur le microbiome. Nat Rev Microbiol. 2022;20(3):143-160.
